空气动力学原理

空气动力学原理气流绕过物体的流动1.势函数的性质1）等势面与流线垂直将流场中速度势相等的点连接起来，形成一个空间曲面，称为等势面。在平面流中，称为等势线。在等势面上•2）速度势在任何一个方向上的偏导数，等于速度在该方向上的投影•根据数学上方向导数的概念，速度势在任意方向l上的方向导数为•3）在势流场中，沿任意封闭曲线的速度环量为零。•2.流函数•1）流函数的等值线与流线重合•3.平行流•就是流体质点以相同的速度相互平行地作等速直线运动。•存在速度势•当φ＝常数时，x＝常数，所以等势线是x＝c的一族与y轴平行的直线。•存在流函数平行流的等势线和流线图•流体从平面上一点均匀地向四周流出，一直流向无穷远处，这样的流动称为平面点源。流体流出的点称为源点，单位时间内流出的体积流量称为源强，用qv表示。•速度势函数•4.偶极子•一对等强度的点源和点汇距离为零时，称偶极子•5.平行流绕圆柱体无环流流动•阻力定义•粘性阻力•物体前后压力dydu•圆柱表面的压强分布2、翼型受力分析环流的存在导致了叶片的工作。F—翼叶上受的气动力，与翼弦AB垂直；FL—作用在风轮旋转平面上升力；FD—作用在垂直风轮旋转平面上阻力。(a)00迎角绕流(a)00迎角绕流(b)50迎角绕流翼型绕流图画(c)150迎角绕流(d)200迎角绕流•升力与阻力(D为阻力，L为升力)•平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零•当平板静止时，阻力虽大但并未对平板做功；当平板在阻力作用下运动，气流才对平板做功；如果平板运动速度方向与气流相同，气流相对平板速度为零，则阻力为零，气流也没有对平板做功。一般说来受阻力运动的平板当速度是气流速度的20%至50%时能获得较大的功率。•当平板与气流方向平行时，平板受到的作用力为零（阻力与升力都为零）•当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。•当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。•截面为流线型的翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。•当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角）时，升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升。vCFALL221212rFCAvvCFADD221总空气动力阻力升力vFCALL221vFCADD221升力系数阻力系数总的空气动力系数vCAFr221CCCDLr222222FFFLL•对于同一种翼型（截面形状），其升力系数和阻力系数的比值，被称为升阻比（k）：DLCCk•压力中心•正常工作的翼片受到下方的气流压力与上方气流的吸力，这些力可用一个合力来表示，该力与弦线（翼片前缘与后缘的连线）的交点即为翼片的压力中心。对于普通薄翼型，在攻角在5至15度时，压力中心约在翼片前缘开始的1/4的位置。LAMvCM221翼的俯仰力矩翼的俯仰力矩系数LAMvCM221L-翼的弦长(苏绍禹)•相对风速•下图是一个风力机的叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到的风速称为相对风速w→，它是叶片的线速度（矢量）u→与风进叶轮前的速度（矢量）v→的合成矢量•w→=u→+v→埃菲尔极线升力、阻力曲线埃菲尔极线埃菲尔极线曲线上的每一个点与原点的连线代表总气动力系数的大小和方向，自然我们可以在埃菲尔曲线上找到升力阻力和总气动力的真实关系过原点的射线与埃菲尔极线相切的点所对应的攻角是最佳攻角。DLCC/cot由图可知：切点处升阻比最大叶素弦长、安装角在叶尖（r0.8R）选用最佳安装角，靠近叶跟处增大攻角来减小弦长，且功率下降不多。叶片翼型的空气动力学基础1、叶片翼型几何参数：（1）翼的前缘；（2）翼的后缘；（3）翼弦；（4）翼的上表面（5）翼的下表面（6）翼的最大厚度h（7）叶片安装角（8）迎角（攻角）（9）入流角三、功率调节•当风速达到某一值时，风力发电机组•达到额定功率。由于风速和功率是三•次方的关系，风速再增加，发电机就会•过载，必须有相应的功率调节措施，使•机组的输出功率不再增加。目前主要有•两种调节功率的方法，都是采用空气动•力方法进行调节的。•一种是定桨距（失速）调节方法；•一种是变桨距调节方法。•1、定桨距（失速）调节方法叶片与轮毂刚性联结。失速控制主要是通过确定叶片翼型的扭角分布，使风轮功率达到额定点后，减少升力提高阻力来实现的。在一般运行情况下，风轮上的动力来源于气流在翼型上流过产生的升力。由于风轮的转速恒定，风速增加叶片上的迎角随之增加，直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落，这种现象称为失速。•就像图2.7所示的那样。•一旦迎角达到失点，叶素将进入失速区，CL减小，CD增加，这两个变化导致扭矩减•小，功率也•跟着减小。•但由于阻力•项的增加，•作用在机组•上的力是增加的。•注意:•失速不总是在同一迎角下，而与迎角变化有关(如阵风)，是一个动态变化过程。在失速与气流恢复到正常流动之间，有滞后现象存在，造成叶片受力变化很大。•失速型机组对安装角比较敏感，叶片的安装角要尽量达到最佳，以免影响机组额定出力。另外失速型机组受空气密度的影响也比较大，在高海拔地区有可能达不到其额定输出。优点：•1）叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低；•2）没有功率调节系统的维护费;•3)在失速后功率的波动小。缺点：•1）气动刹车系统可靠性设计和制造要求高；•2）叶片、机舱和塔架上的动态载荷高；•3）由于常需要刹车过程，在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷；•4）起动性差；•5）机组承受的风载荷大；•6）在低空气密度地区难以达到额定功率。2、变桨距控制•叶片与轮毂通过轴承机构联接。••变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化，使翼型升力变化来进行调的。变桨距控制多用于大型风力发电机组。•变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角，由此来减小翼型的升力，以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。•变桨调节时叶片迎角可相对气流连续变化，以便使风轮功率输出达到希望的范围。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而限制功率。优点：•1）起动性好；•2）刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；•3）额定点以前的功率输出饱满；•4）额定点以后的输出功率平滑；•5）风轮叶根承受的静、动载荷小。缺点:•1)由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高。•2)功率调节系统复杂，费用高。•另外，还有一种功率控制方式——•主动失速控制•在额定功率点以前，叶片的桨距角是固定不变的，与定桨距风轮一样；•在额定功率以后（即失速点以后），叶片失速导致风轮功率下降，风轮输出功率低于额定功率，为了补偿这部分损失，适当调整叶片的桨距角，来提高风轮的功率输出。